| Techniques spectroscopiques |
Généralités sur les méthodes spectroscopiques
Les méthodes spectroscopiques les plus couramment rencontrées en chimie portent les noms de spectroscopies infrarouge (IR), spectrophotomètrie ultraviolet-visible, spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN), ou encore spectroscopie de masse (SM) et spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE).
L’objectif de cette est de voir quelles sont les informations que l’on peut tirer des spectres obtenus avec chaque spectroscopie. Des spectres fournissent des informations sur la structure, d’autres sur la présence de groupes fonctionnels etc... De plus, certaines méthodes permettent un suivi quantitatif de réactions.
Les méthodes spectroscopiques sont des techniques basées sur l'interaction entre un photon et un atome ou plus généralement une molécule. L’énergie du photon est absorbée par la molécule qui se retrouve alors dans un état excité. Selon l'énergie du photon, plusieurs types de processus d'excitation peuvent-être engagés. La mécanique quantique nous a appris que les différentes particules du monde microscopique suivent des règles très précises : les sauts d'énergie sont quantifiées.
Les particules sont au repos dans un niveau fondamental d'énergie E1, et se retrouvent ensuite par apport d'une énergie D E dans un niveau excité E2, avec D E = E2 - E1, ce que l'on représente à l'aide des diagrammes suivant :
Processus d'excitation (absorption d'une certaine quantité d'énergie) suivie du processus de désexcitation accompagnée de l'émission d'un photon.
Selon la valeur de l'énergie D E, différent processus sont engagés.
- Si l'énergie est intense (rayons X), on arrive à exciter les électrons de cœur (couches internes) d'un atome.
- Si l'énergie est moins intense (ultraviolet-visible), on excité les électrons externes (impliqués dans des liaisons de valence). Loi de Beer-Lambert.
- Ensuite (domaine infrarouge), on peut exciter les modes de vibration (élongation et déformation des liaisons).
Enfin tout en bas de l'échelle des énergies, on excite les spins électroniques (résonance paramagnétique électronique) ou de spins nucléaires (résonance magnétique nucléaire).
A part, on distingue une autre méthode. En effet, si l’énergie est très intense, on peut fragmenter la molécule. C’est qui se produit en spectrométrie de masse.
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Interaction photon-molécule
Tout processus favorable d'interaction photon-matière résulte d'une transition énergétique entre un niveau fondamental et un niveau excité.
Energie du photon
Selon l'énergie du photon, l'impact sur la molécule cible sera différent. L'énergie transférable d'un photon à une molécule de fréquence n (Hz, hertz) est :
D E = h . n
D E : énergie absorbée (ou aussi émise) en J (joule) h : constante de Planck.
h = 6,626 10-34 J.s (joule seconde)
La fréquence du photon n'est pas la seule grandeur susceptible de nous intéresser. On parle aussi de longueur d'onde (l , m) et de nombre d'onde (n , m-1).
La longueur d'onde est déterminée par :
l = c / n
Le nombre d'onde par :
n = 1 / l
Remarque
L'énergie sera ramenée en joule par mole.
E (J / mol) = E (J) . NA
Avec :
NA = 6,0223 1023 mol-1
Energie atteinte dans les molécules
L'information qui nous manque est maintenant la suivante : à quelle énergie correspond quel phénomène ?
Le tableau suivant résume la corrélation entre l'interaction produite et les domaines de fréquence.
Processus d'excitation Rayons X (RX) Electrons internes Domaine Ultra-violet (UV) Electrons de valences Domaine visible Electrons de valence Domaine infra-rouge (IR) Vibration des liaisons Domaine micro-ondes (µO) Rotation Ondes télé (TV) Ondes radios Spins nucléaires
Transformée de Fourier en Spectroscopie
- Glasser L. 1987 - Fourier Transforms for Chemists. Part I. Introduction to the Fourier Transform - J. Chem. Ed., 64, p. A228-A233. Glasser L. 1987 - Fourier Transforms for Chemists. Part II. Fourier Transforms in Cheùistry and Spectroscopy - J. Chem. Ed., 64, p. A260-A271.
